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摘 要：分析现有地质标本教学平台的应用情况，依照构建虚拟仿真实验教学中心的要求，提出以中国矿业大学资源学院实验室现有资源构建地质标本教学平台的建议。根据对学生、教师、实验室管理员的需求分析，确定本平台的基本功能，并综合中国矿业大学资源学院现有的古生物、矿物、岩石标本的储存情况，建立可以进行标本检索、三维展示、教学管理、科普天地等功能模块的虚拟仿真平台，实现地质实验教学信息化与实验室管理有效化的探索。
关键词：三维建模;地质标本;学习平台
中图法分类号：G642 文献标志码：B DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2021.0316
1 地质标本学习平台发展背景及现状
在教育信息化[1]发展战略指导下，教育部从2013 年起开展了国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作[2]，实现了以互联网技术为主的现代信息技术与传统教育的融合[3，4]。地质标本学习平台是高校推进虚拟仿真实验教学改革、优化实验教学资源结构、提升实验教学的重要措施[5]，是虚拟仿真实验教学建设中的重要组成部分，现已建设的地质标本实验教学平台有成都理工大学教学实验中心、长江大学地质标本实验室[6]等。其中成都理工大学建设的数字化地质标本平台展示了矿物、岩石、铀矿、构造等标本的图片、文字、三维模型信息，可以支持手机、平板、电脑等多平台浏览，是高校实验教学平台建设中较为成熟的国家级示范项目。
2 地质标本信息
2.1 地质标本基本信息
地质标本的价值在于标本所承载的信息，标本实物是这些信息的载体[7]，学习与鉴定地质标本是地学专业必须具备的一项基础技能。地质标本具有如下特点：①种类繁多复杂，具有多种分类标准;②体量大小和稀缺程度不一;③标本易风化、腐蚀、磨损，含有杂质，采集、保存过程较为费力;④地质信息可辨识度高。标本信息包括基本信息与地质鉴定信息两大类，其中共有的信息统计为公共信息表，特有的统计为个性信息表[8]（见表1）。
2.2 地质标本信息分类
地质标本的规范分类是实验室管理的任务，也是课程教学的模型工具。标本信息总量大、种类多，为实现标本科学化、规范化、信息化的管理[9]可根据信息的使用频率分为常用信息与不常用信息;根据信息的来源或使用场所分为实验室信息、矿产信息等;根据标本信息的数据类型可以分为文字信息、影像信息、模型信息等。中国矿业大学的地质标本主要由矿物、岩石、古生物、煤岩四个部分组成，并且在长期的教学实验过程中，实验室已经积累了大量的图片、报告、显微照片等数据资料，可以进行再整理、再利用。数字化标本在资源共享、信息传输、信息重组等方面展现出不可比拟的优势，且三维模型具有传播力更广的特点。综合考虑中国矿业大学实验室地质标本的特点，以及标本保存和使用时所遇到的问题，经过检验，利用三维建模技术建立的平台与传统实体实验教学系统相结合实现了教学上的虚实结合、优势互补和相辅相成[10]。
3 建模软件对比与选取
3.1 建模软件对比
三维建模在长期发展过程中更新了许多技术，每种技术都有各自的适应性。实现成果的最优化需要对各种技术进行对比分析（见图1），根据应用的实际需求，采用一种或多种方法组合应用。
经过对比分析，综合考虑地质标本普遍特点及中国矿业大学地质标本实验室特点，采用基于Smart3D软件的倾斜摄影三维建模方法可以实现全自动建立模型，具有经济、快速、简便、逼真[11]的优点，建模精度可以达到毫米级能够满足实验教学的需要，是众多技术中的较优选择。
3.2 岩矿石三维建模流程
3.2.1 建模硬件环境构建
Smart3D建模过程包括前期准备、影像数据采集、三维建模三个部分。配置EOS600D搭配EFS18-135mm镜头以及电动匀速电动旋转台（转速：3.6r/min，半径：20cm）、坐标背景板、光源器材、单反相机以及三脚架等设備，组成了一套完整的岩矿石手标本三维建模的硬件系统。以矿物、岩石、古生物标本为对象，进行了标本图像数据采集与三维建模。
3.2.2 图像数据采集
标本三维建模的重要保障是先获得一系列高质量矿石标本的图像序列，匀速电动旋转台搭配照相机间隔定时自动拍摄功能对快速采集照片起到重要作用。EOS600D搭配EFS18-135mm镜头，采用自动旋转连拍模式，对载物台上匀速转动的标本进行80～150张拍摄，保证图片中信息重复率大于60%[6]。摄影工作完成后，对影像文件进行筛选，剔除不符合要求的图片，并使用图像处理软件进行加工使其达到最佳效果。
3.2.3 三维建模
利用Smart3D软件进行建模首先创建工程并导入对应标本文件，确认图片的相机参数正确后，使用软件进行空间三角运算，并生成三维模型文件。浏览所建立的模型并使用Mesh mixer软件进行修饰修补，去掉多余的空间碎片，合理修补空洞，并将背景板边缘修剪成规则几何图形，重新贴图，生成最终文件。生成的标本模型均由obj文件、mtl文件和jpg文件组成，方便网页浏览[12]。Smart3D制作模型支持任意旋转缩放平移，视觉体验感优良，可让使用者获得交互感、沉浸感，提供了一个可视化展示媒介[13]。三维模型真实度较高，分辨率达到3～5mm，可从模型上观察到矿物岩石的结构、构造特征，古生物化石的结构、构造和纹理，能够满足实验教学要求。共创建矿物岩石模型共计155个，古生物模型147个供平台使用。 4 地質标本学习平台设计与实现
4.1 平台构建思路
构建地质标本学习平台首先进行需求分析，进行静态内容规划。之后进入前期资料准备阶段，收集教师与学生的基本信息，采集矿物、岩石、古生物等标本信息，进行数据整理并建立三维模型。然后进行平台的UI设计，平台的功能模块确定后前后端并行开发，前端运用HTML5、CSS3、JavaScript等语言进行网页制作，后端采用MySQL数据库、JAVA等开发语言。在本地服务器调试稳定后将平台部署到服务器上，后期根据教学实验的使用需要进行完善与优化。
4.2 技术平台开发适用优势
根据平台数据特点、功能要求，系统技术开发前端程序利用HTML5、CSS3、JavaScript技术进行，后端采用MySQL、JAVA进行。选用HTML5进行开发的可以解决跨浏览器的问题，且部分代替了原来的JavaScript，在开发过程中具有更加明确的语义定义。采用MySQL进行后端开发的优势在于其软件体积小、运行速度快、使用成本低、开放源码共享，该数据库可以满足现阶段的使用需求，适合本平台的使用。
5 结语
基于倾斜摄影建模技术构建地质标本教学平台是地质虚拟仿真实验平台建设的重要内容，在规范实验室管理水平，提高信息共享水平，辅助教学方面起到有效作用。煤岩标本由于纹理、颜色难以区分，它的数据采集和三维建模是技术难点，将在平台后期建设中进一步探讨和完善。
参考文献：
[1]祝智庭，贺斌.智慧教育：教育信息化的新境界[J].电化教育研究 2012，33（12）：5-13.
[2]教育部高等教育司.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通[EB/OL].2013-08-13[2020-09-04].http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/tongzhi/201308/t20130821_156121.html.
[3]教育部高等教育司.2015年国家级虚拟仿真实验教学中心入选名单公示[EB/OL].2016-01-13[2020-09-04] .http：//www.moe.gov.cn/jyb_xxgk/s5743/s5745/A08/201601/t20160112_227676.html
[4]祖强，魏永军.国家级虚拟仿真实验教学中心建设现状探析[J].实验技术与管理 2015，32（11）：156-158.
[5]吉东风，李海燕，成何珍，等.国家级虚拟仿真实验教学中心建设探讨[J].教育教学论坛 2020（20）：233-234.
[6] 陈志军，张娅，吕新彪，等.岩矿石标本三维建模技术及其教学资源库建设[J].实验室研究与探索 2017，36（11）：140-145.
[7]曹希平.地质标本信息数字化与数字地质博物馆建设的宏观思考[J].地球学报 2007（2）：205-208.
[8]祁志武，李功权，刘欢.地质标本虚拟仿真学习平台[J].计算机系统应用 2017，26（7）：110-115.
[9]罗玉琼，周迎春，黄清德，等.地质教学标本数据库管理系统开发[J].实验室研究与探索 2006，25（11）：1392-1394.
[10]张刚阳，陈翠华，王国芝，等.矿产勘查地质学虚拟仿真实验教学体系的建设与实践[J].中国地质教育 2017，26（1）：52-55.
[11]李勇.古生物化石仿真实验教学系统的设计与实现[D]：徐州：中国矿业大学资源与地球科学学院，2019.
[12]钱磊，张文超.基于Smart3D的小物件三维建模技术及应用[J].河南科技 2018（28）：14-16
[13]赵思艺，何明跃.矿物晶体标本的三维可视化展示设计与实现[J].科研信息化技术与应用 2017，8（4）：51-56.
[14]张晓丽，陈义林，何金先.地质标本虚拟仿真实验教学系统内容框架与功能模块设计[J].兰州教育学院学报 2017，33（3）：84-86.
Research on 3D Modeling Technology and Learning Platform
of Geological Specimen
Yan Jiaojiao Zhang Qianfeng Chen Xu Li Jie
（School of Resources and Earth Sciences， China University of Mining and Technology， Xuzhou， 221000，China）
Abstract： This article analyzes the application of the existing geological specimen teaching platform， in accordance with the requirements of constructing a virtual simulation experiment teaching center， and proposes a proposal to build a geological specimen teaching platform with the existing resources of the Laboratory of Resources College of China University of Mining and Technology. According to the analysis of the needs of students， teachers， and laboratory administrators， the basic functions of this platform are determined. It also integrates the existing storage conditions of paleontology， minerals， and rock specimens in the School of Resources of China University of Mining and Technology， and establishes a virtual simulation platform that can carry out specimen retrieval， three-dimensional display， teaching management， science popularization world and other functional modules， so as to realize the exploration of geological experiment teaching informatization and effective laboratory management.
Keywords： 3D modeling; geological specimens; learning platform
关键词：三维建模;地质标本;学习平台
中图法分类号：G642 文献标志码：B DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2021.0316
1 地质标本学习平台发展背景及现状
在教育信息化[1]发展战略指导下，教育部从2013 年起开展了国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作[2]，实现了以互联网技术为主的现代信息技术与传统教育的融合[3，4]。地质标本学习平台是高校推进虚拟仿真实验教学改革、优化实验教学资源结构、提升实验教学的重要措施[5]，是虚拟仿真实验教学建设中的重要组成部分，现已建设的地质标本实验教学平台有成都理工大学教学实验中心、长江大学地质标本实验室[6]等。其中成都理工大学建设的数字化地质标本平台展示了矿物、岩石、铀矿、构造等标本的图片、文字、三维模型信息，可以支持手机、平板、电脑等多平台浏览，是高校实验教学平台建设中较为成熟的国家级示范项目。
2 地质标本信息
2.1 地质标本基本信息
地质标本的价值在于标本所承载的信息，标本实物是这些信息的载体[7]，学习与鉴定地质标本是地学专业必须具备的一项基础技能。地质标本具有如下特点：①种类繁多复杂，具有多种分类标准;②体量大小和稀缺程度不一;③标本易风化、腐蚀、磨损，含有杂质，采集、保存过程较为费力;④地质信息可辨识度高。标本信息包括基本信息与地质鉴定信息两大类，其中共有的信息统计为公共信息表，特有的统计为个性信息表[8]（见表1）。
2.2 地质标本信息分类
地质标本的规范分类是实验室管理的任务，也是课程教学的模型工具。标本信息总量大、种类多，为实现标本科学化、规范化、信息化的管理[9]可根据信息的使用频率分为常用信息与不常用信息;根据信息的来源或使用场所分为实验室信息、矿产信息等;根据标本信息的数据类型可以分为文字信息、影像信息、模型信息等。中国矿业大学的地质标本主要由矿物、岩石、古生物、煤岩四个部分组成，并且在长期的教学实验过程中，实验室已经积累了大量的图片、报告、显微照片等数据资料，可以进行再整理、再利用。数字化标本在资源共享、信息传输、信息重组等方面展现出不可比拟的优势，且三维模型具有传播力更广的特点。综合考虑中国矿业大学实验室地质标本的特点，以及标本保存和使用时所遇到的问题，经过检验，利用三维建模技术建立的平台与传统实体实验教学系统相结合实现了教学上的虚实结合、优势互补和相辅相成[10]。
3 建模软件对比与选取
3.1 建模软件对比
三维建模在长期发展过程中更新了许多技术，每种技术都有各自的适应性。实现成果的最优化需要对各种技术进行对比分析（见图1），根据应用的实际需求，采用一种或多种方法组合应用。
经过对比分析，综合考虑地质标本普遍特点及中国矿业大学地质标本实验室特点，采用基于Smart3D软件的倾斜摄影三维建模方法可以实现全自动建立模型，具有经济、快速、简便、逼真[11]的优点，建模精度可以达到毫米级能够满足实验教学的需要，是众多技术中的较优选择。
3.2 岩矿石三维建模流程
3.2.1 建模硬件环境构建
Smart3D建模过程包括前期准备、影像数据采集、三维建模三个部分。配置EOS600D搭配EFS18-135mm镜头以及电动匀速电动旋转台（转速：3.6r/min，半径：20cm）、坐标背景板、光源器材、单反相机以及三脚架等设備，组成了一套完整的岩矿石手标本三维建模的硬件系统。以矿物、岩石、古生物标本为对象，进行了标本图像数据采集与三维建模。
3.2.2 图像数据采集
标本三维建模的重要保障是先获得一系列高质量矿石标本的图像序列，匀速电动旋转台搭配照相机间隔定时自动拍摄功能对快速采集照片起到重要作用。EOS600D搭配EFS18-135mm镜头，采用自动旋转连拍模式，对载物台上匀速转动的标本进行80～150张拍摄，保证图片中信息重复率大于60%[6]。摄影工作完成后，对影像文件进行筛选，剔除不符合要求的图片，并使用图像处理软件进行加工使其达到最佳效果。
3.2.3 三维建模
利用Smart3D软件进行建模首先创建工程并导入对应标本文件，确认图片的相机参数正确后，使用软件进行空间三角运算，并生成三维模型文件。浏览所建立的模型并使用Mesh mixer软件进行修饰修补，去掉多余的空间碎片，合理修补空洞，并将背景板边缘修剪成规则几何图形，重新贴图，生成最终文件。生成的标本模型均由obj文件、mtl文件和jpg文件组成，方便网页浏览[12]。Smart3D制作模型支持任意旋转缩放平移，视觉体验感优良，可让使用者获得交互感、沉浸感，提供了一个可视化展示媒介[13]。三维模型真实度较高，分辨率达到3～5mm，可从模型上观察到矿物岩石的结构、构造特征，古生物化石的结构、构造和纹理，能够满足实验教学要求。共创建矿物岩石模型共计155个，古生物模型147个供平台使用。 4 地質标本学习平台设计与实现
4.1 平台构建思路
构建地质标本学习平台首先进行需求分析，进行静态内容规划。之后进入前期资料准备阶段，收集教师与学生的基本信息，采集矿物、岩石、古生物等标本信息，进行数据整理并建立三维模型。然后进行平台的UI设计，平台的功能模块确定后前后端并行开发，前端运用HTML5、CSS3、JavaScript等语言进行网页制作，后端采用MySQL数据库、JAVA等开发语言。在本地服务器调试稳定后将平台部署到服务器上，后期根据教学实验的使用需要进行完善与优化。
4.2 技术平台开发适用优势
根据平台数据特点、功能要求，系统技术开发前端程序利用HTML5、CSS3、JavaScript技术进行，后端采用MySQL、JAVA进行。选用HTML5进行开发的可以解决跨浏览器的问题，且部分代替了原来的JavaScript，在开发过程中具有更加明确的语义定义。采用MySQL进行后端开发的优势在于其软件体积小、运行速度快、使用成本低、开放源码共享，该数据库可以满足现阶段的使用需求，适合本平台的使用。
5 结语
基于倾斜摄影建模技术构建地质标本教学平台是地质虚拟仿真实验平台建设的重要内容，在规范实验室管理水平，提高信息共享水平，辅助教学方面起到有效作用。煤岩标本由于纹理、颜色难以区分，它的数据采集和三维建模是技术难点，将在平台后期建设中进一步探讨和完善。
参考文献：
[1]祝智庭，贺斌.智慧教育：教育信息化的新境界[J].电化教育研究 2012，33（12）：5-13.
[2]教育部高等教育司.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通[EB/OL].2013-08-13[2020-09-04].http：//www.moe.gov.cn/s78/A08/tongzhi/201308/t20130821_156121.html.
[3]教育部高等教育司.2015年国家级虚拟仿真实验教学中心入选名单公示[EB/OL].2016-01-13[2020-09-04] .http：//www.moe.gov.cn/jyb_xxgk/s5743/s5745/A08/201601/t20160112_227676.html
[4]祖强，魏永军.国家级虚拟仿真实验教学中心建设现状探析[J].实验技术与管理 2015，32（11）：156-158.
[5]吉东风，李海燕，成何珍，等.国家级虚拟仿真实验教学中心建设探讨[J].教育教学论坛 2020（20）：233-234.
[6] 陈志军，张娅，吕新彪，等.岩矿石标本三维建模技术及其教学资源库建设[J].实验室研究与探索 2017，36（11）：140-145.
[7]曹希平.地质标本信息数字化与数字地质博物馆建设的宏观思考[J].地球学报 2007（2）：205-208.
[8]祁志武，李功权，刘欢.地质标本虚拟仿真学习平台[J].计算机系统应用 2017，26（7）：110-115.
[9]罗玉琼，周迎春，黄清德，等.地质教学标本数据库管理系统开发[J].实验室研究与探索 2006，25（11）：1392-1394.
[10]张刚阳，陈翠华，王国芝，等.矿产勘查地质学虚拟仿真实验教学体系的建设与实践[J].中国地质教育 2017，26（1）：52-55.
[11]李勇.古生物化石仿真实验教学系统的设计与实现[D]：徐州：中国矿业大学资源与地球科学学院，2019.
[12]钱磊，张文超.基于Smart3D的小物件三维建模技术及应用[J].河南科技 2018（28）：14-16
[13]赵思艺，何明跃.矿物晶体标本的三维可视化展示设计与实现[J].科研信息化技术与应用 2017，8（4）：51-56.
[14]张晓丽，陈义林，何金先.地质标本虚拟仿真实验教学系统内容框架与功能模块设计[J].兰州教育学院学报 2017，33（3）：84-86.
Research on 3D Modeling Technology and Learning Platform
of Geological Specimen
Yan Jiaojiao Zhang Qianfeng Chen Xu Li Jie
（School of Resources and Earth Sciences， China University of Mining and Technology， Xuzhou， 221000，China）
Abstract： This article analyzes the application of the existing geological specimen teaching platform， in accordance with the requirements of constructing a virtual simulation experiment teaching center， and proposes a proposal to build a geological specimen teaching platform with the existing resources of the Laboratory of Resources College of China University of Mining and Technology. According to the analysis of the needs of students， teachers， and laboratory administrators， the basic functions of this platform are determined. It also integrates the existing storage conditions of paleontology， minerals， and rock specimens in the School of Resources of China University of Mining and Technology， and establishes a virtual simulation platform that can carry out specimen retrieval， three-dimensional display， teaching management， science popularization world and other functional modules， so as to realize the exploration of geological experiment teaching informatization and effective laboratory management.
Keywords： 3D modeling; geological specimens; learning platform